CZ2000251A3 - Výplň - Google Patents

Description

(57) Anotace:

Řešením je výplň (1) s křížovou kanálovou strukturou pro kolonu (2) pro výměnu hmoty, která je specifikovaná povrchovou plochou (a) a úhlem sklonu (φ) kanálů (13). Výplní (1) protékající fluida mají předem stanovené stejně velké proudy; pro výplň (1) je počet (n) teoretických pater na metr dán první funkcí f, (a, φ) proměnných (φ), tj. úhlu sklonu kanálů (13) a (a), tj. povrchové plochy výplně (1), odpor v proudění proudu plynu výplní (1) je dán tlakovou ztrátou (Ap) na metr j ako druhá funkce f₂ (a, φ) a tlaková ztráta (Ap) při konstantním počtu (n) má minimum, pro které proměnné povrchové plochy (a) a úhly sklonu (φ) zaujmou v závislosti na velikosti počtu (n) hodnoty a_m(n), případně φ_ιη(η) a platí n > 4,5, a_cl < a_m(n), φ_£ΐ > φ„(η), jakož i φ_ο1 > 45°, kde a_cl a φ_ε1 jsou hodnoty definující třídu výplně (1).

• · · · · · • ·

2000-251

Výplň

Oblast

Vynález se týká výplně s křížovou kanálovou strukturou pro kolonu pro výměnu hmoty s vysokou specifickou účinností, kolony s takovou výplní, jakož i způsobu pro provozování takové kolony.

Dosavadní_§tay-techniky

Výplně s křížovou kanálovou strukturou jsou již mnoho let známé, viz například DE-A 26 Ol 890 = P.4988. Jsou vytvořeny zpravidla z více nad sebou uspořádaných výplňových elementů, přičemž každý výplňový element je vytvořen z více rovnoběžných vrstev. Vrstvy se navzájem dotýkají a vytvářejí společně proti sobě navzájem otevřené průtokové kanály, které jsou skloněny proti svislicí, to je ose kolony, a tak je vytvořena křížová kanálová struktura. Prostřednictvím takové kolonové výplně lze provádět výměnu hmot a/nebo tepla, to je mezi zkrápěcím filmem na povrchové ploše výplně a mezi proudem plynu, který protéká skrz kanály.

Ve standardní učebnici o destilaci, H.Z.Kister, Distillation Design”, McGraw-Hill, r. 1992, strany 441 - 458, jsou diskutovány výplně s křížovou kanálovou strukturou pro provádění způsobu oddělování hmot. Tyto výplně jsou optimálně využitelné, pokud nejsou požadovány příliš velké specifické oddělovací účinnosti. Specifickou oddělovací účinnost je možné kvantifikovat prostřednictvím velikosti NTSM, která udává počet n teoretických pater na metr, nebo u beden prostřednictvím v palcích naměřené velikosti HETP, height equivalent of a theoretical plate”, což je v podstatě re• ·

- 2 ciproční hodnota k velikosti NTSM. Specifická oddělovací účinnost se zde považuje za velikou, když je NTSM vetší než

4,5^-\ to znamená, když je počet n > 4,5.

U známých využití se v praxi ukázalo, že třída výplní je optimálně využitelná tehdy, když je u nich úhel sklonu kanálů vždy stejně velký. Jako hodnota pro tento úhel sklonu je uvedeno v uvedené učebnici 45°, viz údaj v tabulce 8.1, zejména třída výplní “Mellapak (r)” 125.Y, 250.Y, 350.Y a 500.Y. U třídy výplní Mellapak následné výplně 125.Y,

..., nemá tento úhel hodnotu 45°, ale hodnotu 42,5°, přičemž tento úhel se ukázal jako výhodnější.

Vynálezce přišel do styku s problémem vytvořit výplně pro oddělovací kolony, u kterých je specifická oddělovací účinnost vysoká a které jsou zvláště vhodné při způsobu rozkládání vzduchu. Přitom zjistil, že se doporučuje provést z hlediska účinnosti výplní s křížovou kanálovou strukturou další pokusy se žákladními vrstvami, aby tak bylo možné na podkladě nově získaných požadavků navrhnout kritéria pro ekonomicky výhodnější výplně.

PodstSlvynál252

Vynález si klade za úkol vytvořit výplň s křížovou kanálovou strukturou, která se vyznačuje vysokou specifickou oddělovací účinností a která umožňuje pokud možno ekonomicky výhodný způsob oddělování. Vytčený úkol se řeší výplní s dále uvedenou třídou výplně.

Výplň s křížovou kanálovou strukturou pro kolonu pro výmě nu hmoty má mít vysokou specifickou účinnost. Výplň je specifikevatelná specifickou povrchovou plochou a a úhlem sklonu y?

• · >· φ φ

♦ Φ· ·· ·· • · · · φ kanálů. Přitom přísluší ke třídě výplní s a = a_cl a γ = íf _cl s dále uvedenými údaji , takže pro výplní protékající fluida jsou předem stanoveny vždy stejně velké proudy fluida, pro výplň empiricky stanovitelný počet n teoretických pater na metr, to je velikost NTSM, je znázornitelná prostřednictvím první funkce fj,(a,y>) proměnných aaý, odpor v proudění, který se vytváří pro proud plynu protékající výplní, je charakterizovatelný tlakovou ztrátou &p na metr jako druhá funkce fg(a,y>), tlaková ztráta zaujme pod vedlejší podmínkou n - konst. relativní minimum, pro které proměnné a a y⁵ zaujmou v závislosti na velikosti n hodnoty am(n), případně *fm(n)> ^a P^latí n>4,5, acl < a_m(n), _cl> jakož i _fcl >45°.

Závislé patentové nároky 2 až 7 se týkají zvláštních provedení výplně podle vynálezu. Předmět patentového nároku 8 je kolona s takovou výplní a každý z nároků 9 a 10 se týká způsobu pro provozování kolony.

Vynález má být ilustrován na podkladě dvou příkladů.

Výplň 750.Y, která má specifickou povrchovou plochu a »

750 m”! a úhel sklonu kanálů = 42,5°, má 5,5 teoretických pater na metr, to je počet n = 5,5. Pokud je úhel zvýšen na

50°, je možné zmenšit pro oddělování hmoty potřebnou povrchovou plochu výplně na 500 m /m , čímž se redukují náklady na materiál výplně na 66 %, Přitom zůstává oddělovací výkon při prakticky nezměněném odporu v proudění výplně také beze změny, to znamená, že tlaková ztráta &p = 2 mbar/m při F «

Ω R

VqV^q - 1,5 Pa ’ . Tak je možné ušetřit přídavný materiál při stejném dělicím výkonu, tedy účinnosti, avšak na náklady zvětšeného odporu v proudění, to je pro a = 450 m * a = 57°, &p « 2,7 mbar/m.

• · • * ·· · • · · · · · • · · · · » · • .... . . .,,.

•i. : ·..· :

Pro výplň 500.Y, to je povrchová plocha a = 500 m”^, úhel sklonu γ = 42,5°, je počet n = 4,5. Pro úhel sklonu y = 46° je povrchová plocha a = 450 m^-^, to znamená, že materiálové náklady se redukují na 90 přičemž odpor v proudění je prakticky beze změny. Pro úhel sklonu y = 50° je povrchová plocha a = 400 m“\ přičemž materiálové náklady se zmenší na 80 %, ale odpor v prouděni se zvětší na 123 % hodnoty očekávané pro výplň 500.Y.

Vynález je v dalším podrobněji vysvětlen ve spojení s výkresovou částí.

Na obr. 1 je znázorněna horní část kolony s výplňovými elementy.

Na obr. 2 je znázorněna část výplně s křížovou kanálovou strukturou, to je ideální tvar Jíellapak R .

Na obr. 3 je znázorněn diagram, ve kterém je znázorněna tlaková ztráta v závislosti na specifické povrchové ploše pro výplň podle obr. 2.

Na obr. 4 je znázorněna tabulka s hodnotovými triply ke křivce zakreslené v diagramu na obr. 3.

Př ove dění_yy Bále zu

Kolona 2 pro výměnu hmoty s osou 20 podle obr. 1 má výplň 1. a kapalinový rozdělovač 21, který má napájecí trubku 210 a rozdělovačové kanály 211. Více výplňových elementů 10.

9 9

9 9 9 9 ···· • 9

- 5 10*. 10** je uspořádáno nad sebou. U zvláštních provedení kolony 2 pro výměnu hmoty je ve výplňových elementech 10 rozlišitelné vždy spodní pásmo 102, střední pásmo 100 a horní pásmo 101. Ve spodním pásmu 102 a horním pásmu 101 na okrajích výplňových elementů 10 je na podkladě vhodného vytvarování redukován odpor v proudění ve srovnání s odporem ve středním pásmu 100. Taková výhodná provedení jsou známá z WO 98/16247 = P.6765.

Každý výplňový element 10 je vytvořen z více paralelních vrstev 11 *. 12', jak je to patrno z obr. 2. Ve vrstvách 11 *. 12' jsou prostřednictvím klikatě poskládaných folií 11, případně 12, vytvořeny rovnoběžné kanály 13 s trojúhelníkovými průřezy 14. Folie 11, 12 mohou být také například zvlněny sinusovitě. Kanály 13 jsou proti svislicím 20*, tvořeným rovnoběžkou k ose 20 kolony 2 pro výměnu hmoty, skloněny a svírají s ní úhel sklonu y*. V dotykové rovině 15 mezi sousedními vrstvami 11 * a 12* se kříží v této dotykové rovině 15 otevřené kanály 13 vrstvy 12* s odpovídajícími kanály sousední vrstvy 11 *. Trojúhelníkový průřez 14 má tvar rovnoramenného trojúhelníku s výškou h, která odpovídá šířce vrstvy 12*, s rameny s a se základnou b. Úhel & mezi rameny s a základnou b má ve většině případů hodnotu 45°. Specifická povrchová plocha a této výplně 1. je v ideálním případě, kdy nemají poskládané hrany žádné zaoblení, dána výrazem 2 /'á/h.

Na obr. 3 jeou znázorněny výsledky novějších základních pokusů pro výplně 4 se strukturou znázorněnou na obr. 2, přičemž úhel G - 45° a hodnoty úhlu sklonu f jsou v oblasti mezi 20° a 70°. Tyto výsledky byly získány pro konstantní proudy fluida a F = νθ = 1,5 Pa^^, kde νθ je rychlost proudění a je hustota plynu Empiricky lze • · • · · • ····

- 6 počet teoretických pater na metr, to je velikost NTSM určit, a prostřednictvím první funkce fjja,_^_) variabilního a a γ . Odpor v proudění, který se vytváří pro proud plynu protékající výplní _1, je charakterizovatelný tlakovou ztrátou &p na metr, a to jako druhá funkce f^/a, · P^rost·^ednictvím eliminace úhlu sklonu z první funkce f^ a druhé funkce fg lze vyjádřit tlakovou ztrátu Δ p jako funkci z a a z η. V diagramu na obr. 3 je tato funkce znázorněna jako soustava křivek 31, 32, 33, 34, 35, 36, přičemž každá z nich představuje tlakovou ztrátu Δp pro NTSM = konst., zejména počet n = 1, 2, 3, 4, 5, 6 v závislosti na specifické povrchové ploše a. Každá z těchto křivek 31, 32, 33, 34. 35, má relativní minimum, pro které vždy variabilní povrchová plocha a a úhel sklonu 4- zaujmou hodnoty a^Cn), případně y^Cn). Minimální body leží na čerchovaně zakreslené křivce 30. Pro hodnoty a^ a platí přibližně čísla uvedená v tabulce na obr. 4. Tyto číslové řady lze vyjádřit prostřednictvím přídavně na obr. 4 uvedených formulí. Pro jiné výplně X s křížovou kanálovou strukturou, pro které nemá úhel hodnotu 45° nebo které jsou vytvořeny například ze zvlněných fólií, je třeba samozřejmě očekávat jiná čísla pro hodnoty a*, a 2)^,·

Minimální body křivky 30 mají zvláštní význam, protože křivky 31, 32, 33, 34, 35, 36 jsou vždy v okolí svého minima velmi ploché. Pro minimální body jsou odpory v proudění pro předem stanovený oddělovací výkon, tedy účinnost, nejmenší. Je možné přejít k menší specifické povrchové ploše a, aniž by přitom odpor v proudění podstatně vznostl, a to při sftodně zůstávající účinnosti. Při narůstajícím odstupu od minimálního bodu potom progresivně narůstá odpor v proudění. Někde se vytváří optimum. Kritéria pro optimum jsou jednak náklady na výplň, zejména materiál výplně, a jednak tla♦ 9 9 « · 9 9 • ♦ ···· • · · ·· ·

- 7 •9 99 » 9 9 · • 9 9 9 • · · 9 • 9 9 9

99 kové ztráty v proudu plynu při provozu kolony 2. Jak se má provést optimalizace závisí na zvláštních okolnostech jednotlivého případu.

Čerchovaná přímka 40, pro kterou platí úhel sklonu y = 42°, poskytuje zhruba hodnoty Δ p tlakové ztráty pro známou třídu výplní 125.Y, viz spodní okraj diagramu na obr. 3. Jak je to patrno, prochází tato přímka 40 pro a< 550 m’1 v malém odstupu vlevo vedle křivky 30 s minimálními body. To je v souladu se známou skutečností, že využití výplní 125.Y není výhodné pro příliš vysoké oddělovací výkony, to je účinnosti.

Přímka 40 protíná křivku 30 při povrchové ploše zhruba a = 550 m”l. To znamená, že pro zhruba a > 500 m * nebo n > 4,5, viz křivka 34*', není třída výplní 125.Y již vhodná pro ekonomicky výhodný způsob pro oddělování hmot. Proto musí být pro vysoké oddělovací výkony, to je účinnosti použi ta nová třída výplní, pro kterou platí a = a._c^, ~ *f cl a dále uvedené podmínky:

n >4.5, a_cl< 2.<n>, 4_cl > T4fl> jakož i £_cl > 45°.

Prostřednictvím těchto podmínek je omezena směrem vzhůru otevřená oblast nad křivkami 34*, 50 a 30. Vzhledem k pro gresivnímu nárůstu odporu v proudění nemůže být tato oblast upravena libovolně směrem vzhůru. Omezení se vytváří prostřednictvím již uvedených optimalizací. Záměrně provedené omezení je přímka 60, na které je úhel sklonu konstantně shodný o hodnotě 55°. árafovaná oblast 3 potom stanovuje hodnoty a = a_cj a ý¹ = y*_cp prostřednictvím kterých je definována třída výplní s křížovou kanálovou strukturou.

Z praktických důvodů je účelné vytvořit dílčí třídu • · ···· s n nebo NTSli jako volitelnými parametry, pro kterou je ana logicky ke třídě výplní 125.Y úhel sklonu _ci konstanta. S výhodou se zvolí pro hodnota 50° nebo jiná hodnota, která se může lišit od hodnoty 50° o zhruba 2° nebo 3°.

Jak je to patrno z diagramu na obr. 3, narůstá odpor v proudění na křivce 30 progresivně s narůstajícím n. Není proto účelné pro specifický oddělovací výkon, tedy účinnost vytvářet vysoké hodnoty. Horní hranice pro n, která není s výhodou překračována, je dána pro n = 7.

Výplň X podle vynálezu je zvláště vhodná pro provádění dělení vzduchu. Prostřednictvím výplně χ podle vynálezu lze například také provádět reakční destilaci. Při tomto způsobu je materiál na povrchových plochách výplně χ nejméně čás tečně katalyticky účinný.

Claims (10)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Výplň (1) s křížovou kanálovou strukturou pro kolonu (2) pro výměnu hmoty s vysokou specifickou účinností, která je specifikovatelná specifickou povrchovou plochou (a) a úhlem sklonu ( ) kanálů a která náleží třídě výplní (1) s a = a . a ij? = γ , vyznačující se tím, že pro výplní (1) protékající fluida jsou předem stanoveny vždy stejně velké proudy fluida, pro výplň (1) empiricky stanovitelný počet (n) teoretických pater na metr, to je velikost NTSM, je znázornitelná prostřednictvím první funkce f|(a, ) proměnných povrchových ploch (a) a úhlu sklonu ( iý), odpor v proudění, který se vytváří pro proud plynu protékající výplní (1), je charakterizovatelný tlakovou ztrátou (/SlP) na metr jako druhá funkce fgía,^ ), tlaková itráta (/\p) zaujme pod vedlejší podmínkou počet n = konst. relativní minimum, pro které proměnné povrchové plochy (a) a úhly sklonu ( γ’ ) zaujmou v závislosti na velikosti počtu (n) hodnoty a_ffl(n), případně y>_m(n), ^a platí n >4,5, ^acl< ^am^ín)' Το1>/ηι^(η)· ^{1ak!,í 1} icl>⁴⁵°·
2. 2. Výplň podle nároku 1, vyznačující se tím, že úhel sklonu 55°.
3. 3. Výplň podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že pro dílčí třídu s počtem (n) jako volitelným parametrem je úhel sklonu ( _cj) konstanta, která má zhruba hodnotu 50°.
4. 4. Výplň podle jednoho z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že kanály (13) jsou vytvořeny klikatě poskládanými fóliemi (ll, 12) a že funkce a_m(n), případně r- 0 5 ^m γ (n) pro F = v_Q y = 1,5 Pa * jsou dány zhruba násle- dujícími mnohočleny:

   a_ffi = (152 - 13n + n²) NTSM, = 27° + n(n+ 1)0.5°. ym
5. 5. Výplň podle jednoho z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že konkrétní hodnoty povrchové plochy (a_cl) a úhlu sklonu ( jsou stanoveny prostřednictvím optimalizace, která je provedena na podkladě kritérií, která závisejí na příslušném využití, a při této optimalizaci je možné udržet například optimálním způsobem jednak nízké náklady na výplň (1), zejména na materiál výplně (l) a jednak tlakové ztráty proudu plynu při provozu kolony (2) pro výměnu hmoty.
6. 6. Výplň podle jednoho z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že v jedné koloně (2) pro výměnu hmoty je uspořádáno nad sebou více výplňových elementů (10, 10 , 10”), přičemž každý výplňový element (10, 10 , 10”) je vytvořen z více rovnoběžných vrstev (11 , 12 ).
7. 7. Výplň podle nároku 6, vyznačující se tím, že ve výplňových elementech (10) je rozlišitelné vždy jedno horní pásmo (101), střední pásmo (100) a spodní pásmo (102) a že v horním pásmu (101) a ve spodním pásmu (102) na pokrajích výplňových elementů (10) je na podkladě vhodného vytvarování redukován odpor v proudění proti odporu v proudění ve středním pásmu (100).
8. 8. Kolona (2) pro výměnu hmoty s výplní (1) podle jednoho z nároků 1 až 7.
9. 9. Způsob provozování kolony (2) pro výměnu hmoty podle nároku 8, vyznačující se tím, že oddělo···

   - 11 vání hmoty se provádí při specifické účinnosti výplně (l), při které je n větší než zhruba 4,5 a při které je s výhodou n menší než zhruba 7.
10. 10. Způsob podle nároku 9 pro provádění dělení vzduchu nebo pro provádění relativní destilace, přičemž materiál na povrchových plochách výplně (1) je nejméně částečně katalyticky aktivně účinný.